合成生物學研究進展及應用前景

閆建俊，白云鳳，張忠梁，馮瑞云，張維鋒

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院作物科學研究所，山西太原030032）

合成生物學是建立在系統生物學、生物化學、生物物理學、生物信息學等學科基礎之上，旨在設計、改造、重構或創造生物分子，進而使這些分子在生命系統中具有活性功能。其包括兩重含義：一是設計和構建新的生物零件、組件和系統；二是對現有的、天然存在的生物系統進行重新設計和改造。合成生物學從解構生命體到重構甚至創建生命體，拓展了人們對生物大分子及其相互關系的理解。2004年，美國的《技術評論》雜志將合成生物學列為新出現的將改變世界的十大技術之一。2007年，歐盟啟動了《合成生物學——新出現的科學技術》引導項目。我國也有專家建議把合成生物學提升到關乎我國國民經濟發展核心技術的高度來考慮[1]。

人類對合成生物分子乃至合成生命的探索由來已久，而20世紀60年代開始的對于核酸和蛋白質等有機物的人工合成為合成生物學奠定了基礎。1965年，我國人工合成了結晶牛胰島素，這是世界上首次人工合成的蛋白質，也是當時人工合成的具有生物活力的最大有機化合物[2]。1979年，Khorana等合成了酪氨酸阻遏tRNA及其編碼基因[3]。1983，我國王德寶等[4]合成了酵母丙氨酸轉移核糖核酸（Yeastalanine tRNA），這是世界上最早人工合成的具有與天然分子相同化學結構和完整生物活性的核糖核酸。我國在合成生物學方面對世界貢獻較大。

1 合成生物學的研究進展

1990年，美國牽頭啟動了人類基因組計劃。在全球科學家的共同努力下，于2000年完成了人類基因組框架圖。這期間積累的知識和技術極大地推動了合成生物學的發展，人們開始了從合成基因組到合成生命的探索。2000年1月，Gardner等[5]在大腸桿菌中構建了基因開關（Toggle switch），這是一個人工合成的雙穩態基因調控網絡；Elowitz等構建了第一個人工合成的生物振蕩器——壓縮振蕩子（Repressilator），這2項事件標志著合成生物學作為一項新的領域正式產生。2002年，Wimmer小組[6]用無生命的化合物合成了具有侵染性的脊髓灰質炎病毒（Poliovirus）。該病毒是正單鏈RNA病毒，侵入細胞后，合成與正鏈RNA序列互補的負鏈RNA，然后再以負鏈RNA為模板，合成新的病毒基因組。Wimmer小組則不依賴天然模板，完全用化學方法先合成與病毒基因組RNA互補的cDNA，然后在體外轉錄出病毒的RNA，在無細胞培養液中翻譯并復制，最終重新裝配成具有侵染能力的病毒。將此病毒注入小鼠，能使其感病。該項研究開辟了利用已知基因組序列，不需要天然模板，從化學單體合成感染性病毒的道路。2003年，Hammiton等僅用2周時間合成了噬菌體φX174的基因組，注入大腸桿菌，大腸桿菌細胞的反應與感染天然φX174噬菌體一樣[7]。2008年，Becker等設計并合成了蝙蝠體內的SARS樣冠狀病毒基因組[8]，并將該基因組中受體結合結構域（Receptorbinding domain，RBD）替換為SARS病毒的RBD，使其成功感染了培養的人呼吸道上皮細胞。這一29.7 kb的RNA序列是當時合成的最大的可以自我復制的基因組。同年，Venter等在分離出原核生物蕈狀支原體的整個基因組并將其移植到山羊支原體中，實現了不同物種間的基因組傳輸之后，利用酵母細胞的同源重組完成了生殖支原體的全基因組合成，創造了當時世界上最大的人工合成的基因組DNA（582 970個堿基對），這也是首例完全由人工化學合成、組裝的完整的細菌基因組。為了突出這是人工化學合成的基因組，他們在基因組的多處插入了“水印”序列。至此，人工化學合成病毒和細菌基因組均已實現。2010年，Venter等用化學方法合成了蕈狀支原體的基因組DNA[9]，將其移入山羊支原體細胞，人造細胞表現出蕈狀支原體的生長特性，首次創造出由化學合成基因組控制的細菌細胞。上述研究成果為應用合成生物學方法改造、構建新型細菌奠定了基礎。

2 合成生物學的應用前景

合成生物學在人類認識生命、重新設計及改造生物等方面科學意義重大，并將在環境保護、新生能源開發、醫藥衛生等領域得到廣泛應用。

2.1 環境監測和治理

利用合成生物學思路，對微生物進行改選，并把其用于環境污染監測。如飲用水中的砷危害人體健康，而目前砷的檢測方法難以達到世界衛生組織要求的精度（＜10 ppb）。大腸桿菌砷探測器可解決這一問題。該探測器以砷敏感基因為基礎，設計構建了一個代謝通路。水中的砷含量超過正常水平時，砷敏感基因表達，激活此代謝通路，刺激該細菌的一系列基因表達，最后合成酸性物質，通過監測pH值就能確定砷或亞砷酸鹽的濃度。這種方法靈敏度高，操作簡便，成本低廉。

合成生物學在清除環境污染方面亦有廣闊前景。比如美國Berkley大學成功構建出一種能降解有機磷酸酯的假單胞菌工程植株。該工程菌能治理由有機磷酸酯物質（如殺蟲劑）使用給土壤、食品和生態所帶來的污染。此外，通過合成生物學還有望構建出各種專門負責凈化如二氧化硫、氮氧化合物、氨氮化合物、汞、氰化物等污染物的工程微生物體，將對環境凈化產生深遠影響。

2.2 新生能源的開發

目前，生物燃料的獲取主要通過2種途徑：利用糖發酵生產酒精或從植物油中提煉生物柴油。然而，這些方法生產效率不高，還需要消耗大量的有機物質甚至糧食，進一步加劇了糧食緊張局勢。通過合成基因組學的方法，對自然界中現存的能夠將二氧化碳轉化為甲烷的細菌進行改造，用合成染色體替換其原有染色體，使其僅具有代謝二氧化碳的功能，成為一個專門生產甲烷的全新生物體，促進生物燃料的使用，解決人類面臨的能源危機，同時也可減少由于能源消耗所帶來的環境問題。

2.3 藥物開發和疾病治療

傳統中藥材艾草內的有效成分青蒿素含量很低，提取費用很高。Keasling實驗室將多個青蒿素生物合成基因導入酵母菌[10]，產生了青蒿酸。并通過對代謝網絡的不斷改造和優化，使產量實現了數量級水平的提高。這一研究使青蒿素的制造費用大大降低，推動了該藥品的生成。細菌或者病毒能夠識別和侵染特定細胞，并引發毒害作用。利用合成生物學手段，對它們的生物學特性進行改造，使其失去致病性，但能識別機體惡性細胞。利用這些改造后的細菌或者病毒來傳遞治療藥物，將對癌癥和其他相關疾病的治療具有更好的作用。

3 合成生物學面臨的挑戰

合成生物學是建立在基因工程基礎之上。基因工程通常轉移的是1個或少數幾個基因，目標是改良生物體的1個或少數幾個性狀，如轉基因抗蟲棉僅僅是對棉鈴蟲的抗性高，其他性狀與普通棉花沒有區別。合成生物學通常涉及的是1組基因，要在更大規模、更多層次上涉及到細胞網絡，包括基因調控網絡、細胞信號轉導網絡、蛋白相互作用網絡、細胞代謝網絡等。“像組裝電路一樣組裝生命”是合成生物學研究思路的形象比喻。實際上，細胞內部基因表達的調控網絡如同蜘蛛網一樣繁雜精細，往往是牽一發而動全身。表觀遺傳學研究表明，一些序列正確的DNA組裝成染色體后還是會在細胞內發生沉默。外源基因的插入還可能造成細胞原有代謝途徑的改變，從而影響到正常生命活動的進行。另外，生命系統的復雜多變、系統中各部件的功能尚不明朗，這些成為合成生物學研究面臨的挑戰。

如同30多a前的DNA重組技術是否會對人類健康造成威脅一樣，合成生物學也面臨類似的問題：人工合成的微生物逃逸到環境，是否會對人類和其他生物的安全造成威脅；在實驗室中制造的未經自然選擇的物種，是否會破壞生態平衡？倘若合成生物技術被應用于制造生物武器，那后果更是不堪設想。

合成生物學是把“雙刃劍”。積極開展合成生物學潛在風險的評估和防范，同時應用其成果造福人類，這才是合成生物學本身的意義所在。

［1］張春霆.合成生物學研究的進展 [J].中國科學基金，2009（2）：65-69.

［2］龔岳亭，杜雨蒼，黃惟德，等.結晶牛胰島素的全合成[J].科學通報，1965（11）：941.

［3］ Ryan M J，Belagaje R，Brown E L，et al.A synthetic tyrosine suppressor tRNA gene with an altered promoter sequence.Its cloning and relative expression in vivo [J].J Biol Chem，1979，254（21）：10803-10810.

［4］王德寶，鄭可沁，裘慕綏，等.酵母丙氨酸轉移核糖核酸（酵母丙氨酸 tRNA）人工全合成[J].中國科學：B 輯，1983，26：385-398.

［5］ Gardner T S，Cantor C R，Collins JJ.Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli.[J].Nature，2000，403：339-342.

［6］ Cello J，Paul A V，Wimmer E.Chemical synthesis of poliovirus cDNA：generation of infectious virus in the absence of natural template[J].Science，2002，297：1016-1018.

［7］Smith H O，Hutchison CA，Venter JC，etal.Generating a synthetic genomebywholegenomeassembly：φX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides[J].Proc Natl Acad Sci USA，2003，100（26）：15440-15445.

［8］Lartigue C，Vashee S，AlgireM A，etal.Creatingbacterialstrains from genomes that have been cloned and engineered in yeast[J].Science，2009，325：1693-1696.

［9］Gibson DG，GlassG I.Creation ofabacterial cellcontrolled by a chemically synthesized genome[J].Science，2010，329：52-55.

［10］Ro DK，Paradise EM，OuelletM，etal.Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast[J].Nature，2006，440：940-943.